Ogniwa i Panele Fotowoltaiczne - Jak działają?

fotowoltaika-1230

Jak zbudowane są i jak działają panele fotowoltaiczne?

Energia elektryczna ze słońca to przyjazny, zarówno dla środowiska jak i portfela, sposób na zasilenie urządzeń w naszych domach. Nie dziwi zatem fakt, że popularność fotowoltaiki w naszym kraju stale wzrasta. Według raportu „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2019” w pierwszym półroczu 2019 roku całkowita moc zamontowanych instalacji fotowoltaicznych wyniosła ponad 700 MW. Z tego blisko 75% mocy pochodzi z przydomowych mikroinstalacji!

Wiemy już, jak działają instalacje fotowoltaiczne zamontowane w naszych domach. Pora przyjrzeć się bliżej budowie i funkcjonowaniu największej gwiazdy naszej mikroelektrowni - panelom fotowoltaicznym.

Z czego zbudowane są panele fotowoltaiczne?

Panele fotowoltaiczne składają się z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Te niewielkie układy o grubości około 250-300 mikrometrów stanowią najmniejszy element naszej elektrowni. Co ciekawe, są one zaledwie kilka razy grubsze od ludzkiego włosa, którego obwód wynosi 50-60 mikrometrów! To właśnie w ogniwach zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, w wyniku którego energia z promieniowania słonecznego przekształcana jest w energię elektryczną.

Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z materiału półprzewodnikowego, który pod wpływem dostarczania energii zamienia się z izolatora (ciało, które nie przewodzi elektryczności) w przewodnik. Najpopularniejszym półprzewodnikiem stosowanym do produkcji ogniw jest krzem. Ze względu na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu wyróżniamy jego trzy odmiany:

Krzem monokrystaliczny, który posiada silnie uporządkowaną strukturę pozbawioną licznych defektów. Ogniwa zbudowane z tego rodzaju krzemu charakteryzują się najwyższą efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną (tzw. sprawnością). Sprawność modułu monokrystalicznego plasuje się na poziomie 15-19%. W praktyce oznacza to, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1m2 ogniwa zostaje w 15% przekształcona na energię elektryczną.

Krzem polikrystaliczny, który charakteryzuje się mniej uporządkowaną strukturą oraz większą liczbą skaz. Z tego względu sprawność modułów zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga 14-16%.

Krzem amorficzny,który nie ma postaci kryształu przez co posiada wysoce chaotyczną strukturę z bardzo dużą liczbą wad. Ma to bezpośredni wpływ na niską sprawność modułów, która wynosi zaledwie 9-14%.

budowa_modulu

Ze względu na wysoką sprawność, ogniwa mono- i polikrystaliczne z powodzeniem mogą być stosowane w instalacjach budowanych na dachach domów lub w przydomowych ogródkach. Pamiętajmy jednak, że ogniwa monokrystaliczne są o wiele trudniejsze, a przez to też i droższe, w produkcji niż ogniwa zbudowane z polikryształów. Z tego też względu to właśnie te drugie najczęściej są wykorzystywane w naszych przydomowych instalacjach fotowoltaicznych. Jak wynika z danych opublikowanych przez Instytut Fraunhofer ISE, w 2017 roku globalna produkcja krzemowych ogniw polikrystalicznych wyniosła ponad 60%, a monokrystalicznych - ponad 32%.

Pojedyncze ogniwa osiągają moc od kilkudziesięciu miliwatów do kilku watów. Z jednego ogniwa nie zasilimy więc urządzeń większych niż drobna elektronika. Z tego względu, aby wytworzyć więcej energii ogniwa łączy się ze sobą w moduły fotowoltaiczne. Ogniwa tworzące moduł laminuje się specjalną folią, umieszcza pod szkłem hartowanym i osadza w ramce aluminiowej. Zapewnia to trwałość konstrukcji oraz ochronę przed uszkodzeniami. Kolejnym elementem tworzącym moduł jest puszka przyłączeniowa z kablami, które pozwalają nam na połączenie ze sobą kilku modułów. Tak złączone moduły tworzą panel fotowoltaiczny.

Jak działają panele fotowoltaiczne? Zjawisko fotowoltaiczne w pigułce.

Wiemy już, że w zależności od rodzaju półprzewodnika z jakiego są zbudowane, ogniwa mogą w bardziej lub mniej efektywny sposób przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną. Ale jak dochodzi w nich do zjawiska fotowoltaicznego i na czym ono polega?

Aby zrozumieć lepiej efekt fotowoltaiczny omówmy najpierw budowę ogniwa krzemowego. Ogniwo składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Jedna z nich zbudowana jest z atomów posiadających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok, przez co charakteryzuje się ładunkiem ujemnym (warstwa typu n). Druga zaś złożona jest z atomów posiadających puste miejsca po elektronach tzw. dziury (warstwa typu p). Warstwa ta charakteryzuje się dodatnim ładunkiem elektrycznym. Na granicy tych dwóch warstw atomy z warstwy typu n „oddają” swoje dodatkowe elektrony atomom z warstwy typu p zapełniając ich dziury. W ten sposób powstaje złącze p-n składające się z atomów o obojętnym ładunku elektrycznym.

budowa_ogniwa_1400

Produkcja energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym ma miejsce tylko wtedy, gdy pada na nie światło słoneczne. Promienie należy przy tym postrzegać, jako strumień cząsteczek (tzw. fotonów) posiadający porcję energii. Energia ta docierając do ogniwa zostaje pochłonięta przez elektrony znajdujące się na ostatniej z powłok elektronowych atomów krzemu na złączu p-n. Elektrony na skutek dostarczonej energii zostają „wybite” z powłok i krążą swobodnie po materiale półprzewodnikowym w warstwie typu n. Jednocześnie w warstwie typu p zwiększa się liczba atomów z dziurami. Prowadzi to do powstania różnicy ładunków na obydwu warstwach tzw. napięcia. Swobodne elektrony z warstwy n dążą do ponownego zapełnienia dziur w atomach znajdujących się w warstwie typu p. Jednak złącze p-n, pełniące rolę „izolatora”, skutecznie im to uniemożliwia. Przyłączenie odbiornika do ogniwa fotowoltaicznego, a tym samym zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. Ten uporządkowany ruch elektronów to prąd! Jego natężenie jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.

efekt_fotowoltaiczny_1400

Co dzieje się dalej? Powstały prąd stały trafia do falownika, który przekształca go na prąd przemienny. Dzięki temu możliwe jest zasilanie naszych domowych sprzętów energią elektryczną.

Kolektor słoneczny a panel fotowoltaiczny - na czym polega różnica?

Panele fotowoltaiczne często są mylone z kolektorami słonecznymi. Wynika to zapewne ze zbieżności nazewnictwa i faktu, że zarówno panele, jak i kolektory wykorzystują energię słoneczną. W praktyce ich zastosowanie jednak się różni.

Panele fotowoltaiczne są znacznie bardziej uniwersalne, gdyż wyprodukowany przez nie prąd wykorzystamy zarówno do zasilenia naszych domowych urządzeń jak i do ogrzania domu. Z kolei kolektory słoneczne, które zamieniają energię słoneczną na energię cieplną, posłużą nam wyłącznie do podgrzania wody użytkowej oraz wsparcia centralnego ogrzewania w okresach przejściowych.

Nie tylko zastosowanie, ale i działanie kolektorów słonecznych jest odmienne od paneli fotowoltaicznych. Zależy ono bowiem nie od mocy promieni słonecznych, a od samego naświetlenia. W praktyce oznacza to, że największą efektywność kolektory osiągają latem. Wówczas mogą pokryć nawet do 90% naszego zapotrzebowania na energię cieplną. Niestety, w pozostałe pory roku ich efektywność spada, przez co jesteśmy zmuszeni do korzystania z dodatkowego źródła ogrzewania. Fotowoltaika zapewnia nam natomiast energię elektryczną przez cały rok. Niemniej, panele najwięcej energii wyprodukują przy bezchmurnym niebie i temperaturze powietrza około 25°C. Przy częściowym lub pełnym zachmurzeniu nasza mikroelektrownia nadal wytwarza prąd, jednak nie osiąga ona pełnej mocy. Nie musimy się jednak obawiać. Nadwyżki wyprodukowanej energii możemy oddać do sieci energetycznej i odebrać je w późniejszym terminie, gdy nasze zapotrzebowanie na prąd będzie wyższe.

Panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne różnią się także pod względem miejsca montażu. O ile, kolektory umieszcza się wyłącznie na dachach budynków, o tyle panele możemy zamontować zarówno na dachu naszego domu jak i w przydomowym ogródku.

Zakup i montaż zarówno kolektorów słonecznych, jak i paneli fotowoltaicznych to inwestycja, która zwróci się nam dopiero po kilku lub nawet kilkunastu latach. Na korzyść kolektorów słonecznych przemawia często ich niższa cena. Wynika ona przede wszystkim z ich nieskomplikowanej budowy. Jednak w dobie dostępu do różnych programów oferujących dofinansowanie na fotowoltaikę możemy ubiegać się o wsparcie finansowe, które pozwoli nam znacząco obniżyć koszt budowy mikroelektrowni, a tym samym skrócić czas zwrotu inwestycji.

Jak mieliśmy okazję się przekonać, budowa paneli słonecznych nie jest tak skomplikowana, jak mogłoby się nam wydawać, a cały sekret działania naszej mikroelektrowni tkwi w ogniwach fotowoltaicznych. To w nich bowiem zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia promieniowania słonecznego jest przekształcana w energię elektryczną. Co więcej, panele fotowoltaiczne pod wieloma względami zyskują przewagę nad kolektorami słonecznymi, a liczne sposoby finansowania sprawiają, że inwestycja w tę ekologiczną formę pozyskiwania energii staje się coraz bardziej opłacalna.